El fotón incidente excita el nivel vibratorio de la molécula (marcado en rojo), lo que hace que la molécula emita el fotón en una longitud de onda diferente. Imagen cortesía de los autores del estudio. Crédito:Instituto de Física y Tecnología de Moscú
Científicos de MIPT, Universidad ITMO (San Petersburgo), y sus colegas de la Universidad Nacional de Australia han demostrado experimentalmente que las nanopartículas de silicio pueden aumentar significativamente la intensidad del efecto Raman. Estos hallazgos podrían contribuir al desarrollo de emisores de luz a nanoescala y amplificadores a nanoescala para líneas de telecomunicaciones de fibra óptica. Los resultados del estudio se han publicado en Nanoescala .
Generalmente, cuando la luz interactúa con la materia, no cambia de color, es decir., la longitud de onda de la luz sigue siendo la misma. Hay excepciones, sin embargo, y uno de ellos es el llamado efecto Raman. En este caso, la luz incidente interactúa con una molécula de tal manera que la energía de la molécula aumenta en un valor correspondiente al movimiento vibratorio de la molécula. Luego, la molécula vuelve a emitir un fotón con menor energía y, en consecuencia, una longitud de onda más larga, lo que significa que la luz se vuelve "más roja". Este proceso también puede ocurrir en cristales a granel.
El descubrimiento del efecto Raman lanzó un campo completamente nuevo de ciencia aplicada:la espectroscopia Raman. Este método permite a los investigadores detectar moléculas individuales de sustancias químicas. Además, El efecto Raman se usa ampliamente hoy en día en redes de fibra óptica para amplificación de señales.
Hasta ahora, Las guías de onda y las microcavidades esféricas mayores que la longitud de onda de emisión se han empleado principalmente para mejorar el efecto Raman. Sin embargo, La miniaturización de los dispositivos de telecomunicaciones requiere el desarrollo de componentes ópticos más pequeños que consuman menos energía y sean más fáciles de "empaquetar" en un chip electrónico u óptico.
La radiación incidente excita la resonancia de la partícula - modo dipolo magnético mostrado por la flecha azul. El campo eléctrico del modo magnético interactúa con las vibraciones de la red cristalina en la nanopartícula de silicio resonante, lo que provoca un cambio en la longitud de onda de la luz dispersa. Crédito:Imagen cortesía de los autores del estudio.
Los científicos, incluido Denis Baranov de MIPT buscó miniaturizar los amplificadores Raman.
Los investigadores utilizaron nanoesferas de silicio que soportan resonancias ópticas, las llamadas resonancias de Mie. Existen en cualquier partícula esférica y las longitudes de onda de estas resonancias dependen del tamaño de partícula. Una de las resonancias que se produce para la longitud de onda más grande es la resonancia del dipolo magnético; su longitud de onda es generalmente comparable al diámetro de la partícula. En silicio, sin embargo, debido a su gran índice de refracción, La resonancia de dipolo magnético se observa en el rango óptico (a longitudes de onda superiores a 300 nanómetros) para nanopartículas con un diámetro de aproximadamente 100 nanómetros.
Este hecho hace que las diminutas nanopartículas de silicio sean útiles como elementos en miniatura para mejorar diversos fenómenos ópticos, incluida la emisión de luz espontánea, absorción de luz mejorada, y alta generación de armónicos.
Recuadro:una imagen de una partícula individual vista bajo un microscopio electrónico. Crédito:Imagen cortesía de los autores del estudio.
En el experimento, los científicos estudiaron el comportamiento de nanopartículas de silicio de diferentes tamaños. Para determinar el tamaño de las partículas, los colocaron bajo un microscopio y los iluminaron con luz blanca. Las partículas de diferentes diámetros demuestran resonancias de Mie en diferentes longitudes de onda que dan como resultado diferentes colores brillantes en la imagen de campo oscuro.
Luego, los científicos probaron cómo la intensidad de la emisión Raman depende del diámetro de una partícula de silicio. La intensidad de la emisión Raman fue máxima en el diámetro resonante de la partícula, que era totalmente coherente con la teoría que habían desarrollado los autores. La intensidad de la emisión Raman de partículas resonantes fue más de 100 veces mayor que la de las partículas no resonantes con otros diámetros.
"El efecto Raman es increíblemente útil en la práctica, y ayudará no solo a detectar cantidades microscópicas de compuestos químicos, sino también en la transmisión de información a largas distancias. Debido a la búsqueda de dispositivos ópticos y electrónicos más pequeños, Es cada vez más importante para nosotros buscar nanoestructuras que puedan potenciar este efecto. Nuestras observaciones han revelado un candidato potencial:nanopartículas de silicio, "dijo Denis Baranov, estudiante de posgrado del MIPT y uno de los autores del artículo.
Las nanopartículas de silicio podrían servir de base para el desarrollo de amplificadores ópticos en miniatura para redes de fibra óptica. En el futuro, estas partículas podrían proporcionar una plataforma para construir un nanolaser compacto usando dispersión Raman estimulada, que ofrece perspectivas de aplicaciones muy interesantes en medicina y biomicroscopía. En particular, La detección de señales de emisión Raman de partículas en el cuerpo humano permitirá a los especialistas rastrear el movimiento de las moléculas de los fármacos.
El punto máximo corresponde a la excitación de la resonancia dipolo magnético de una nanopartícula de silicio. Recuadro:distribución del campo eléctrico dentro de una partícula resonante. Crédito:Imagen cortesía de los autores del estudio.
